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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Tiefe eines
Fehlers in einem sich relativ zur Vorrichtung bewegenden Bahnmaterial,
z. B. einem Glasband oder einer Kunststofffolie, mit einer ersten
Lichtquelle zur Ausstrahlung eines ersten Lichtbündels in Richtung des Bahnmaterials
und einer zweiten Lichtquelle zur Ausstrahlung eines zweiten Lichtbündels in
Richtung des Bahnmaterials, wobei jedes Lichtbündel Licht einer von dem Bahnmaterial
transmittierten Wellenlänge
umfasst, und wobei die Lichtquellen auf einer Seite des Bahnmaterials angeordnet
und derart ausgerichtet sind, dass die Lichtbündel das Bahnmaterial durchqueren
und dabei einen Winkel miteinander bilden.
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Bei
einer bekannten Vorrichtung dieser Art ist zur Beobachtung jedes
Lichtbündels
jeweils eine Kamera vorgesehen, die auf der den Lichtquellen gegenüberliegenden
Seite des Bahnmaterials angeordnet ist und die Intensität des jeweils
beobachteten Lichtbündels
detektiert. Passiert ein Fehler in dem Bahnmaterial, z. B. ein Einschluss,
eine Blase oder eine andere Verunreinigung, eines der Lichtbündel, so
detektiert die das Lichtbündel
beobachtende Kamera eine reduzierte Intensität desselben.
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Aus
der Zeitdauer, die zwischen dem Durchgang eines Fehlers durch das
erste Lichtbündel
und dem anschließenden
Durchgang des Fehlers durch das zweite Lichtbündel verstreicht, lässt sich
bei Kenntnis der Winkel, unter denen die Lichtbündel das Bahnmaterial durchlaufen,
mittels geo metrischer und trigonometrischer Funktionen die Tiefe
des Fehlers in dem Bahnmaterial ermitteln.
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Als
problematisch erweist sich die bekannte Vorrichtung hinsichtlich
ihrer Herstellungskosten.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der
eingangs genannten Art zu schaffen, die mit einem geringeren wirtschaftlichen
Aufwand herstellbar ist.
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Die
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 und insbesondere dadurch gelöst,
dass eine optische Anordnung vorgesehen ist, welche auf der den
Lichtquellen gegenüberliegenden
Seite des Bahnmaterials angeordnet ist und durch welche die Lichtbündel nach
ihrer Durchquerung durch das Bahnmaterial in eine Kamera lenkbar
sind.
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Der
der Erfindung zugrunde liegende Gedanke besteht mit anderen Worten
also darin, zur Beobachtung der beiden Lichtbündel nicht zwei Kameras vorzusehen,
sondern die beiden Lichtbündel
statt dessen mit einer einzigen Kamera zu beobachten und zu diesem
Zweck eine optische Anordnung vorzusehen, welche die beiden Lichtbündel nach
ihrem Durchgang durch das Bahnmaterial in diese einzige Kamera lenkt.
Die optische Anordnung macht den Einsatz einer zweiten Kamera zur
Beobachtung der Lichtbündel
somit überflüssig, wodurch
auf eine zweite Kamera verzichtet und die Vorrichtung kostengünstiger
hergestellt werden kann.
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Vorteilhafte
Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und
der Zeichnung zu entnehmen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform bewirkt
die optische Anordnung eine Überlagerung der
Lichtbündel.
Das erste Lichtbündel
und das zweite Lichtbündel
werden durch die optische Anordnung gewissermaßen also zu einem Lichtbündel zusammengefasst,
was die Beobachtung der Lichtbündel mittels
einer einzigen Kamera vereinfacht.
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Vorteilhafterweise
umfasst die optische Anordnung einen Teilerspiegel. Ein Teilerspiegel
eignet sich besonders gut zur Überlagerung
der Lichtbündel,
da er so angeordnet werden kann, dass ein transmittierter Teil des
ersten Lichtbündels
mit einem reflektierten Teil des zweiten Lichtbündels zusammenfällt. Letzteres
kann beispielsweise erreicht werden, indem der Teilerspiegel so
positioniert wird, dass ein Schnittpunkt der Lichtbündel auf
einer reflektierenden Oberfläche
des Teilerspiegels liegt.
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Handelt
es sich bei dem Schnittpunkt um den einzigen Schnittpunkt der Lichtbündel, so
kommt die optische Anordnung ohne zusätzliche optische Bauteile aus,
wie z. B. Umlenkspiegel, was zu einer Minimierung der Kosten zur
Herstellung der Vorrichtung beiträgt.
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Vorteilhafterweise
liegt deshalb ein zusätzlicher
Schnittpunkt der Lichtbündel
im Strahlengang der Lichtbündel
zwischen den Lichtquellen und der optischen Anordnung. Dieser zusätzliche
Schnittpunkt kann dabei innerhalb oder außerhalb des Bahnmaterials liegen
und befindet sich bevorzugt auf der Seite des Bahnmaterials, auf
der die Lichtquellen angeordnet sind. Ein Strahlengang der Lichtbündel mit
einem zusätzlichen
Schnittpunkt ermöglicht
eine variablere und kompaktere Bauform der Vorrichtung, erfordert
aber gleichzeitig zusätzliche
optische Bauteile.
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Beispielsweise
kann die optische Anordnung zwei Umlenkspiegel umfassen, deren Spiegelflächen einander
zugewandt sind. Bei diesen Umlenk spiegeln handelt es sich vorzugsweise
um nicht transmittierende, d. h. zumindest annähernd vollständig reflektierende
Spiegel, die bevorzugt so angeordnet sind, dass sie die Lichtbündel so
in Richtung des Teilerspiegels umlenken, dass sie in der genannten
Weise auf den Teilerspiegel auftreffen und von diesem zu einem Lichtbündel überlagert
werden. Dabei liegt der Teilerspiegel vorteilhafterweise in einer
zwischen den Umlenkspiegeln gelegenen Ebene.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform weist
die optische Anordnung ein Umlenkelement auf, welches das eine Lichtbündel parallel
versetzt oder unter einem Winkel zu dem anderen Lichtbündel in
die Kamera lenkt. Ein derartiges Umlenkelement kann beispielsweise
mindestens einen nicht transmittierenden Spiegel umfassen. Durch
eine derartige optische Anordnung werden die beiden Lichtbündel also
nicht zu einem Lichtbündel
zusammengefasst, sondern die Kamera beobachtet zwei getrennte Lichtbündel.
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Die
Lichtbündel
können
unter gleichen oder unterschiedlichen Einfallswinkeln auf das Bahnmaterial
treffen, wobei der jeweilige Einfallswinkel so gewählt sein
sollte, dass das jeweilige Lichtbündel zumindest teilweise durch
das Bahnmaterial transmittiert wird. Der Einfallswinkel jedes Lichtbündels kann beispielsweise
im Bereich von 20° bis
40° liegen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist das Spektrum des von den Lichtquellen ausgestrahlten Lichts
gleich. In diesem Fall kann ein Teilerspiegel der optischen Anordnung
ein Verhältnis
von Transmission zu Reflexion von 50:50 für das von den Lichtquellen
ausgestrahlte Licht aufweisen.
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Alternativ
können
die Spektren des von den Lichtquellen ausgestrahlten Lichts auch
unterschiedlich sein. In diesem Fall kann ein Teilerspiegel der
optischen Anordnung für
das Licht der einen Lichtquelle zumindest annähernd vollständig transmittierend
und für
das Licht der anderen Lichtquelle zumindest annähernd vollständig reflektierend
sein. Dies kann dazu führen,
dass die durch die Kamera detektierte Intensität des beobachteten Lichts höher ist
als in dem Fall, in dem lediglich 50% des Lichts durch den Teilerspiegel
transmittiert bzw. reflektiert wird. Bei Durchgang eines Fehlers
durch eines der beiden Lichtbündel
wird folglich auch ein erhöhter
Intensitätsabfall
detektiert, was letztlich eine genauere Fehlerdetektion ermöglicht.
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Zur
Inspektion größerer Bereiche
des Bahnmaterials handelt es sich bei den Lichtquellen bevorzugt
um Linienbeleuchtungen. Vorteilhafterweise erstrecken sich die Linienbeleuchtungen
quer zur Bewegungsrichtung des Bahnmaterials und über die gesamte
Breite des Bahnmaterials. Auf diese Weise lässt sich das Bahnmaterial in
einem kontinuierlichen Durchlaufprozess vollständig auf Fehler untersuchen.
Die Lichtquellen können
z. B. eine oder mehrere Leuchtdioden, Halogenlampen und/oder Leuchtstoffröhren aufweisen.
Ferner können
die Linienbeleuchtungen jeweils aus mehreren einzelnen Beleuchtungssegmenten
gebildet sein.
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Bei
der Kamera kann es sich um eine Zeilenkamera, z. B. eine CCD-Zeilenkamera,
handeln. Entsprechend den Linienbeleuchtungen, erstreckt sich auch
die Kamera vorzugsweise quer zur Bewegungsrichtung des Bahnmaterials
und über
die gesamte Breite des Bahnmaterials. Außerdem kann auch die Kamera
aus mehreren einzelnen Kameramodulen gebildet sein.
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Umfasst
die optische Anordnung einen Teilerspiegel, welcher die beiden Lichtbündel zu
einem einzigen Lichtbündel
zusammenfasst, so ist es ausreichend, wenn die Kamera nur eine CCD-Zeile
aufweist.
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Alternativ
kann die Kamera zwei CCD-Zeilen oder sogar einen CCD-Array-Detektor, aufweisen, um
zwei Lichtbündel
zu erfassen, z. B. für
den Fall, dass die optische Anordnung keinen Teilerspiegel, sondern
ein Umlenkelement aufweist, welches das eine Lichtbündel parallel
versetzt oder unter einem Winkel zu dem anderen Lichtbündel in
die Kamera lenkt.
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Damit
eine zuverlässige
Fehlerdetektion über
die gesamte Länge
der Linienbeleuchtungen bzw. der Zeilenkamera und vorzugsweise über die gesamte
Breite des Bahnmaterials gewährleistet
ist, sollten die Linienbeleuchtungen und die Zeilenkamera parallel
zueinander orientiert sein.
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Weiterer
Gegenstand der Erfindung ist außerdem
ein Verfahren zur Bestimmung der Tiefe eines Fehlers in einem sich
relativ zu einer Kamera bewegenden Bahnmaterial mit den Merkmalen
des Anspruchs 18, durch welches sich die voranstehend genannten
Vorteile entsprechend erreichen lassen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine
zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
und
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3 eine
dritte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In 1 ist
eine erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Bestimmung der Tiefe eines Fehlers 10, z. B. eines
Einschlusses, einer Blase oder einer anderen Verunreinigung, in
einem sich in einer Richtung 12 bewegenden Bahnmaterial 14 dargestellt.
Die Bewegung des Bahnmaterials 14 ist hier als eine Relativbewegung
bezüglich
der Vorrichtung zu verstehen, d. h. das Bahnmaterial 14 kann
durch eine feststehende Vorrichtung hindurch bewegt oder die Vorrichtung
bezüglich
eines feststehenden Bahnmaterials 14 verfahren werden.
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Das
Bahnmaterial 14 besteht aus einer oder mehreren Schichten
gleicher oder unterschiedlicher Materialien und Dicken. Beispielsweise
kann es sich bei dem Bahnmaterial 14 um ein Glasband oder
um eine ein- oder mehrlagige Kunststofffolie handeln.
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Die
Vorrichtung umfasst eine erste Linienbeleuchtung 16 und
eine zweite Linienbeleuchtung 18, die sich jeweils quer
zur Bewegungsrichtung 12 des Bahnmaterials 14 und über die
gesamte Breite des Bahnmaterials 14 erstrecken.
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Die
erste Linienbeleuchtung 16 strahlt ein erstes Lichtbündel 20 in
Richtung des Bahnmaterials 14 aus, und die zweite Linienbeleuchtung 18 strahlt ein
zweites Lichtbündel 22 in
Richtung des Bahnmaterials 14 aus.
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Das
erste Lichtbündel 20 und
das zweite Lichtbündel 22 verlaufen
unter einem Winkel derart zueinander, dass sich die Lichtbündel 20, 22 in
einem ersten Schnittpunkt 24 schneiden, bevor sie das Bahnmaterial 14 durchqueren.
Der erste Schnittpunkt 24 liegt somit auf der den Linienbeleuchtungen 16, 18 zugewandten
Seite des Bahnmaterials 14.
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Der
Einfallswinkel, unter dem Lichtbündel 20, 22 jeweils
auf das Bahnmaterial 14 auftreffen, ist im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
für beide
Lichtbündel 20, 22 gleich
und kann beispielsweise im Bereich von 20° bis 40° liegen. Grundsätzlich können die
Lichtbündel 20, 22 aber
auch unter unterschiedlichen Einfallswinkeln auf das Bahnmaterial 14 auftreffen.
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Auf
der den Linienbeleuchtungen 16, 18 abgewandten
Seite des Bahnmaterials 14 ist eine optische Anordnung 26 angeordnet,
welche zwei zueinander beabstandete, parallel ausgerichtete und
mit ihren Spiegelflächen 28 zueinander
weisende Umlenkspiegel 30 sowie einen in einer zwischen
den Umlenkspiegeln 30 gelegenen Mittenebene liegenden Teilerspiegel 32 umfasst.
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Die
Umlenkspiegel 30 und der Teilerspiegel 32 sind
so positioniert, dass das erste Lichtbündel 20 nach seinem
Durchgang durch das Bahnmaterial 14 auf die Spiegelfläche 28 des
einen Umlenkspiegels 30 trifft und von diesem unter einem
Winkel von 45° auf
eine nicht reflektierende Rückseite 34 des
Teilerspiegels 32 gelenkt wird, wohingegen das zweite Lichtbündel 22 nach
seinem Durchgang durch das Bahnmaterial 14 auf die Spiegelfläche 28 des
anderen Umlenkspiegels 30 trifft und von diesem unter einem
Winkel von 45° auf
eine reflektierende Vorderseite 36 des Teilerspiegels 32 gelenkt
wird.
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Zumindest
ein Teil des auf die Rückseite 34 des
Teilerspiegels 32 auftreffenden ersten Lichtbündels 20 wird
durch den Teilerspiegel 32 transmittiert. Entsprechend
wird zumindest ein Teil des auf die Vorderseite 36 gelenkten
zweiten Lichtbündels 22 durch den
Teilerspiegel 32 reflektiert.
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Die
Umlenkspiegel 30 und der Teilerspiegel 32 sind
dabei derart relativ zueinander positioniert, dass die Reflexion
des zweiten Lichtbündels 22 an der
reflektierenden Vorderseite 36 des Teilerspiegels 32 genau
dort erfolgt, wo der transmittierte Teil des ersten Lichtbündels 20 aus
dem Teilerspiegel 32 austritt. Die Lichtbündel 20, 22 treffen
an der der reflektierenden Vorderseite 36 des Teilerspiegels 32 also
in einem Punkt 37, gewissermaßen einem zweiten Schnittpunkt,
unter einem Winkel von 90° aufeinander,
wodurch der transmittierte Teil des ersten Lichtbündels 20 und
der reflektierte Teil des zweiten Lichtbündels 22 zu einem
einzigen Lichtbündel 38 zusammengeführt werden.
Es findet mit anderen Worten eine Überlagerung des transmittierten
Teils des ersten Lichtbündels 20 und
des reflektierten Teils des zweiten Lichtbündels 22 statt, weshalb
das Lichtbündel 38 nachfolgend
auch als Überlagerungslichtbündel bezeichnet
wird.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
emittieren die Linienbeleuchtungen 16, 18 Licht
des gleichen Spektrums oder zumindest eines ähnlichen Spektrums, z. B. weißes oder
rotes Licht. Der Teilerspiegel 32 ist deshalb so ausgebildet,
dass er das von den Linienbeleuchtungen 16, 18 emittierte
Licht zu gleichen Teilen transmittiert bzw. reflektiert, d. h. also
zu 50% transmittiert und zu 50% reflektiert.
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Alternativ
ist es aber auch möglich,
Linienbeleuchtungen 16, 18 zu verwenden, die Licht
mit unterschiedlichen Spektren bzw. unterschiedlicher Wellenlänge ausstrahlen.
Beispielsweise kann die erste Linienbeleuchtung 16 rotes
Licht und die zweite Linienbeleuchtung 18 blaues Licht
emittieren. In diesem Fall ist der Teilerspiegel 32 vorzugsweise
so ausgebildet, dass er das von der ersten Linienbeleuchtung 16 emittierte
rote Lichtbündel 20 zumindest
annähernd
vollständig
transmittiert und gleichzeitig das von der zweiten Linienbeleuchtung 18 emittierte blaue
Lichtbündel 22 zumindest
annähernd
vollständig
reflektiert.
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Zur
Erfassung des durch den Teilerspiegel 32 erzeugten Überlagerungslichtbündels 38 ist
eine Kamera 40 vorgesehen, welche mit einer nicht dargestellten
Auswerteeinheit verbunden ist. Die Kamera 40 weist eine
CCD-Zeile auf, die sich parallel zu den Linienbeleuchtungen 16, 18,
d. h. also quer zur Bewegungsrichtung 12 des Bahnmaterials 14,
und entsprechend den Linienbeleuchtungen 16, 18 über die gesamte
Breite des Bahnmaterials 14 erstreckt.
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Die
CCD-Zeile dient zur Detektion der Intensität des Überlagerungslichtbündels 38.
Bewegt sich ein Fehler 10 durch das erste Lichtbündel 20 hindurch,
so wird dies in der Kamera 40 als ein Abfall in der Intensität des Überlagerungslichtbündels 38 detektiert.
Nach einer gewissen Zeitdauer passiert der Fehler 10 das
zweite Lichtbündel 22,
wodurch die Intensität
des durch die Kamera 40 erfassten Überlagerungslichtbündels 38 erneut
abfällt.
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Aus
der gemessenen Zeitdauer zwischen zwei aufeinander folgenden Abfällen in
der Intensität des
erfassten Überlagerungslichtbündels 38 ermittelt die
mit der Kamera 40 verbundene Auswerteeinheit unter Berücksichtigung
der Lage des ersten Schnittpunkts 24 der Lichtbündel 20, 22 relativ
zu dem Bahnmaterial 14 und der Winkel, unter denen die Lichtbündel 20, 22 das
Bahnmaterial 14 durchlaufen, die Tiefe des Fehlers 10 in
dem Bahnmaterial 14. Hierbei lässt sich die Tiefe mit einer
Auflösung
im Mikrometerbereich bestimmen.
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In 2 ist
eine zweite Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Bestimmung der Tiefe eines Fehlers 10 in
einem sich bewegenden Bahnmaterial 14 dargestellt, welche
sich von der voranstehend beschriebenen ersten Ausführungsform
lediglich darin unterscheidet, dass die optische Anordnung 26 keine Umlenkspiegel 30,
sondern lediglich den Teilerspiegel 32 umfasst.
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Bei
der in 2 gezeigten Ausführungsform werden die Lichtbündel 20, 22 nach
ihrem Durchgang durch das Bahnmaterial 14 also nicht umgelenkt,
um auf den Teilerspiegel 32 zu treffen. Vielmehr strahlen die
Linienbeleuchtungen 16, 18 durch das Bahnmaterial 14 hindurch
gewissermaßen
direkt auf den Teilerspiegel 32. Dies bedeutet, dass die
Linienbeleuchtungen 16, 18 der Vorrichtung gemäß zweiter
Ausführungsform – bei gleicher
Entfernung von dem Teilerspiegel 32 – einen größeren Abstand zueinander aufweisen
als die der Vorrichtung gemäß erster
Ausführungsform
(1).
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In 3 ist
eine dritte Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Bestimmung der Tiefe eines Fehlers 10 in
einem sich bewegenden Bahnmaterial 14 dargestellt, welcher
sich von der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform
darin unterscheidet, dass die optische Anordnung 26 anstelle
eines Teilerspiegels 32 ein Umlenkelement 42 aufweist,
welches für
das zweite Lichtbündel 22 zumindest
annähernd
vollständig
reflektierend ist.
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Das
Umlenkelement 42 ist so angeordnet, dass es das erste Lichtbündel 20 nach
Reflexion an dem einen Umlenkspiegel 30 ungehindert in
Richtung der Kamera 40 passieren lässt und das zweite Lichtbündel 22 nach
Reflexion an dem anderen Umlenkspiegel 30 zumindest annähernd vollständig in Richtung
der Kamera 40 lenkt.
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Die
beiden Lichtbündel 20, 22 treffen
bei dieser Ausführungsform
parallel versetzt auf die Kamera 40, d. h. also nicht als
ein durch Überlagerung zweier Lichtbündel erzeugtes
einzelnes Lichtbündel,
wie bei den vorherigen Ausführungsformen.
Grundsätzlich ist
es auch denkbar, dass die beiden Lichtbündel 20, 22 nach
Umlenkung durch die optische Anordnung 26 unter einem gewissen
Winkel zueinander auf die Kamera 40 auftreffen. Um die
Intensität
beider Lichtbündel 20, 22 detektieren
zu können,
weist die Kamera 40 zwei parallel zueinander angeordnete CCD-Zeilen der voranstehend
beschriebenen Art auf.
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Der
Vollständigkeit
halber sei darauf hingewiesen, dass die in 3 dargestellte
Vorrichtung gemäß der dritten
Ausführungsform ähnlich wie
die in 2 gezeigte zweite Ausführungsform auch ohne die Umlenkspiegel 30 ausgebildet
sein kann.
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Des
Weiteren sei darauf hingewiesen, dass die Kamera 40 anstelle
von einer oder zwei CCD-Zeilen auch einen CCD-Array-Detektor aufweisen
kann, der es ermöglicht,
ein aufgeweitetes Lichtbündel oder
gleichzeitig zwei zueinander beabstandete Lichtbündel zu erfassen.
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Schließlich ist
zu bemerken, dass sowohl die Anordnung und Ausrichtung der Spiegel 30, 32 als auch
die Werte der Winkel, unter denen die Lichtbündel 20, 22 auf
die Umlenkspiegel 30 und/oder auf den Teilerspiegel 32 treffen,
und entsprechend der Wert des Winkels, unter dem die Lichtbündel 20, 22 an dem
Teilerspiegel 32 gegebenenfalls aufeinander treffen, von
der voranstehend beschriebenen Anordnung und Ausrichtung bzw. den
voranstehend genannten und den Figuren zu entnehmenden Winkelwerten
abweichen können.
Entscheidend ist, dass die Anordnung und Ausrichtung der Komponenten der
Vorrichtung so gewählt
sind, dass die Lichtbündel 20, 22 durch
den Teilerspiegel 32 entweder als ein gemeinsames Lichtbündel 38 (wie
in 1 und 2 gezeigt) oder als zwei Lichtbündel 20, 22 (wie in 3 gezeigt)
in die Kamera 40 gelenkt werden.
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- 10
- Fehler
- 12
- Bewegungsrichtung
- 14
- Bahnmaterial
- 16
- Linienbeleuchtung
- 18
- Linienbeleuchtung
- 20
- Lichtbündel
- 22
- Lichtbündel
- 24
- Schnittpunkt
- 26
- optische
Anordnung
- 28
- Spiegelfläche
- 30
- Umlenkspiegel
- 32
- Teilerspiegel
- 34
- Rückseite
- 36
- Vorderseite
- 37
- Schnittpunkt
- 38
- Lichtbündel
- 40
- Kamera
- 42
- Umlenkelement